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第1章 数码相机概览1

1.1 什么是数码相机1

1.2 数码相机的历史2

1.2.1 早期概念2

1.2.2 索尼Mavica3

1.2.3 静态视频相机4

1.2.4 静态视频系统为什么会失败5

1.2.5 数码相机的黎明5

1.2.6 卡西欧QV-106

1.2.7 像素数量之战6

1.3 数码相机的类型7

1.3.1 傻瓜式相机7

1.3.2 单反相机9

1.3.3 数码后背9

1.3.4 玩具相机10

1.3.5 可拍照手机10

1.4 数码相机的基本结构10

1.4.1 数码相机的典型框图10

1.4.2 光学系统11

1.4.3 成像器件11

1.4.4 模拟电路11

1.4.5 数字电路11

1.4.6 系统控制11

1.5 数码相机的应用12

1.5.1 新闻摄影12

1.5.2 印刷出版13

1.5.3 网络应用13

1.5.4 其他应用13

第2章 数码相机中的光学系统14

2.1 光学系统基础及光学性能评价标准14

2.1.1 光学系统基础14

2.1.2 调制传递函数和分辨率18

2.1.3 像差和点列图19

2.2 数码相机中光学系统的特点21

2.2.1 数码相机成像光学系统的配置21

2.2.2 景深和焦深21

2.2.3 光学低通滤波器23

2.2.4 衍射的影响24

2.3 数码相机成像光学系统设计的几个重要方面25

2.3.1 设计过程举例25

2.3.2 玻璃材料的选择27

2.3.3 有效利用非球面透镜28

2.3.4 镀膜29

2.3.5 抑制变焦镜头出射光线的角度波动31

2.3.6 设计中对大批量生产过程的考虑32

2.4 数码相机成像镜头变焦类型及其应用33

2.4.1 视频变焦类型33

2.4.2 多组移动变焦镜头34

2.4.3 短变焦镜头34

2.5 总结35

参考文献35

第3章 图像传感器基础知识36

3.1 图像传感器的功能36

3.1.1 光电转换36

3.1.2 电荷收集与积累38

3.1.3 成像阵列的扫描39

3.1.4 电荷检测40

3.2 像素中的光电探测器41

3.2.1 填充因子42

3.2.2 彩色滤光阵列42

3.2.3 微型透镜阵列43

3.2.4 SiO2/Si接触面的反射44

3.2.5 电荷收集效率44

3.2.6 满阱容量45

3.3 噪声45

3.3.1 图像传感器中的噪声45

3.3.2 固定模式噪声46

3.3.3 暂态噪声50

3.3.4 拖尾和高光溢出52

3.3.5 图像拖影53

3.4 光电转换特性53

3.4.1 量子效率和响应率53

3.4.2 光电转换特性机理54

3.4.3 灵敏度和信噪比57

3.4.4 如何提高信噪比58

3.5 阵列的性能58

3.5.1 调制传递函数58

3.5.2 图像传感器的MTF59

3.5.3 光学黑色像素和伪像素60

3.6 光学格式和像素大小60

3.6.1 光学格式60

3.6.2 像素大小的考虑61

3.7 CCD图像传感器与CMOS图像传感器的对比62

参考文献63

第4章 CCD图像传感器66

4.1 CCD基础66

4.1.1 电荷耦合器件的概念66

4.1.2 电荷转移机制67

4.1.3 表面沟道与掩埋沟道68

4.1.4 典型的结构和工作方式（两相和四相时钟）73

4.1.5 输出电路和降低噪声：浮置扩散电荷检测和相关双采样74

4.2 CCD图像传感器的结构和特性76

4.2.1 帧转移CCD和行间转移CCD76

4.2.2 p衬底结构和p阱结构78

4.2.3 抗高光溢出和低噪声像素（光电二极管和VCCD）79

4.2.4 CCD图像传感器的特性81

4.2.5 工作方法与功耗84

4.3 数码相机的应用85

4.3.1 数码相机的应用需求85

4.3.2 隔行扫描和逐行扫描86

4.3.3 成像操作89

4.3.4 像元交叉阵列结构CCD（超级CCD）90

4.3.5 高分辨率的静止图片和高帧率的视频94

4.3.6 利用CCD图像传感器的系统解决方案97

4.4 发展前景98

参考文献99

第5章 CMOS图像传感器102

5.1 CMOS图像传感器简介102

5.1.1 CMOS图像传感器的概念102

5.1.2 基本结构104

5.1.3 像素寻址和信号处理结构106

5.1.4 卷帘式快门和全局快门107

5.1.5 功耗109

5.2 CMOS有源像素技术110

5.2.1 PN光电二极管像素110

5.2.2 钳位光电二极管像素112

5.2.3 其他大画幅、高分辨率CMOS图像传感器的像素结构116

5.3 信号处理和噪声特性117

5.3.1 像素信号读出和FPN抑制电路117

5.3.2 模拟前端119

5.3.3 CMOS图像传感器的噪声120

5.4 CMOS图像传感器的DSC应用122

5.4.1 片上集成和DSC产品分类122

5.4.2 拍摄静态图像的工作顺序123

5.4.3 视频和AE/AF模式126

5.5 CMOS图像传感器在DSC应用的展望128

参考文献128

第6章 图像传感器的测评132

6.1 图像传感器的测评是什么132

6.1.1 测评的目的132

6.1.2 成像质量和图像传感器的测评参数132

6.1.3 图像传感器的测评环境132

6.2 测评环境133

6.2.1 图像传感器的测评和测评环境133

6.2.2 图像传感器测评环境的基本配置133

6.2.3 测试准备136

6.3 测评方法136

6.3.1 光子转换特性136

6.3.2 光谱响应138

6.3.3 角度响应140

6.3.4 暗特性142

6.3.5 光照特性144

6.3.6 拖尾特性145

6.3.7 分辨率特性145

6.3.8 图像拖影特性146

6.3.9 缺陷147

6.3.10 自然场景的图像再现147

第7章 色彩理论及其在数码相机中的应用148

7.1 色彩理论148

7.1.1 人类视觉系统148

7.1.2 颜色匹配函数和三色值148

7.1.3 色度及均匀颜色空间149

7.1.4 色差151

7.1.5 光源和色温151

7.2 相机光谱灵敏度153

7.3 相机的特性描述154

7.4 白平衡155

7.4.1 白点155

7.4.2 色彩转换156

7.5 转换显示（色彩管理）157

7.5.1 色度定义157

7.5.2 图像状态157

7.5.3 轮廓法158

7.6 总结158

参考文献159

第8章 图像处理算法160

8.1 基本图像处理算法160

8.1.1 降噪161

8.1.2 色彩插补162

8.1.3 色彩校正166

8.1.4 色调曲线／伽马曲线167

8.1.5 滤波操作168

8.2 相机控制算法171

8.2.1 自动曝光，自动白平衡171

8.2.2 自动对焦172

8.2.3 取景器以及录像模式173

8.2.4 数据压缩174

8.2.5 数据存储175

8.2.6 图像变焦、尺寸缩小与剪裁175

8.3 高级图像处理：如何获取更好的图像质量178

8.3.1 色度裁剪179

8.3.2 高级色彩插值179

8.3.3 镜头畸变校正181

8.3.4 镜头阴影校正181

参考文献182

第9章 图像处理引擎183

9.1 图像处理引擎的关键特性184

9.1.1 成像功能184

9.1.2 功能灵活性184

9.1.3 成像性能184

9.1.4 帧频185

9.1.5 半导体成本187

9.1.6 功耗187

9.1.7 上市时间的考虑187

9.2 成像引擎架构的比较188

9.2.1 图像处理引擎架构188

9.2.2 通用DSP VS硬连接ASIC189

9.2.3 功能灵活性189

9.2.4 帧频190

9.2.5 功耗190

9.2.6 上市时间的考虑190

9.2.7 结论191

9.3 模拟前端（AFE）191

9.3.1 相关双采样（CDS）191

9.3.2 光学黑电平钳位192

9.3.3 模数转换（ADC）192

9.3.4 AFE器件实例193

9.4 数字后端（DBE）194

9.4.1 特征195

9.4.2 系统组成195

9.5 未来的设计方向196

9.5.1 数码相机的发展趋势196

9.5.2 模拟前端197

9.5.3 数字后端198

参考文献198

第10章 图像质量评价199

10.1 什么是图像质量199

10.2 参数指标200

10.2.1 分辨率200

10.2.2 频率响应200

10.2.3 噪声201

10.2.4 灰度（色调曲线，伽马特性曲线）202

10.2.5 动态范围204

10.2.6 色彩再现204

10.2.7 均匀性（不均匀性，阴影）205

10.3 详细的条目或者因素205

10.3.1 与图像传感器相关的问题206

10.3.2 和镜头相关的因素211

10.3.3 信号处理相关的因素213

10.3.4 系统控制因素215

10.3.5 其他因素：时间和运动上的注意点217

10.4 图像质量的一些标准218

第11章 对未来数码相机的一些设想219

11.1 数码相机图像传感器的未来219

11.1.1 未来的高端数码单反相机传感器219

11.1.2 未来的主流消费类数码相机传感器221

11.1.3 数字胶片传感器222

11.2 一些未来的数码相机224

参考文献225

附录A 标准光源下每勒克斯的入射光子数227

附录B 成像系统的灵敏度和ISO感光度指标229